Жұқа пленка әдісі

Су бетіне майдың, мұнайдың, бензиннің тамшысы тамғанда әр түсті сурет пайда болатынын білеміз. Ондай суреттер сабынның көпіршігінде де, инеліктің қанатының үстінде де байқалады (түрлі-түсті қосымшадағы 1-сурет). Бензиннің жұқа қабыршағының бетіне жарық түскенде қандай процесс жүретінін қарастырайық. Бензиннің жұқа қабыршағы жазық параллель пластиналардан алынады. S жарық көзінен шығатын сәуле қабыршақтардан өткенде бірнеше когерентті сәулелерге бөлінеді. Біз жарық интерференциясын түскен жарықтан да, шағылған жарьщтан да байқай аламыз. Бензин қабықшасы қалыңдығының үздіксіз өзгеруінен, жұқа қабыршақтағы интерференциялық сурет түрленіп отырады.

Есептеу жұмыстарын жүргізіп, толқынның жұқа қабыршақтағы жол айырымын анықтайтын формуланы табайық:

1. өтетін жарықта A = 2dncosβ, мұндағы A — толқын жүрісінің жол айырымы, d — қабыршақтың қалыңдығы, п — қабыршақ затының сыну көрсеткіші, р — жарықтың сыну бұрышы;

2. шағылған жарықта A = 2dncosβ + λ/2 Шағылған жарықта жол айырымына жарты-толқын ұзындығы қосылады, өйткені шағылғанда жарты толқын жоғалады.

Когерентті екі жарық көзіпе параллель болып орналасқан, экрандағы интерференциялық жолақтардьщ ара кашықтығы мынаған тең:

мұндағы λ — жарық толқынының ұзындығы, L — бір-бірінен d қашықтықта тұрған жарық көздерінің экранғa дейінгі қашықтығы: осыдан L>>d болады.

Жазық-параллель пластинкалардағы (өткінші жарықтағы) жарықтың интерференциясының, нәтижесі мына формулалармен анықталады:

жарықты күшейту

(k=0,1,2,…),

жарықты нашарлату

(k=0,1,2,…),

Фотометрия (др.-греч. φῶς, родительный падеж φωτός — свет и μετρέω — измеряю) — общая для всех разделов прикладной оптики научная дисциплина, на основании которой производятся количественные измерения энергетических характеристик поля излучения.

В основе фотометрии как науки лежит разработанная А. Гершуном теория светового поля 

На практике положения теории светового поля реализуются инженерной дисциплиной — светотехникой.

Фото́метр — прибор для измерения каких-либо из фотометрических величин, чаще других — одной или нескольких световых величин.

При использовании фотометра осуществляют определённое пространственное ограничение потока излучения и регистрацию его приёмником излучения с заданнойспектральной чувствительностью. Освещённость измеряют люксметрами, яркость — яркомерами, световой поток и световую энергию — с помощью фотометра интегрирующего. Приборы для измерения цвета объекта называют колориметрами.

Когерентті толқындар.

Егер екі толқынның тербеліс жиілігі мен тұрақты фаза ығысуы бірдей болса, олар когерентті толқындар деп аталады.

Интерференция. Толқын бір ортадан екінші ортаға өткенде жартылай сынып, екінші ортада таралады, ал жартысы шағылып, интерференциаланады. Бөлшек болса біртұтас, ол интерференциаланбайды.

Основные законы геометрической оптики

Основные законы геометрической оптики были известны задолго до установления физической природы света.

Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Опытным доказательством этого закона могут служить резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами при освещении светом источника достаточно малых размеров («точечный источник»). Другим доказательством может служить известный опыт по прохождению света далекого источника сквозь небольшое отверстие, в результате чего образуется узкий световой пучок. Этот опыт приводит к представлению о световом луче как о геометрической линии, вдоль которой распространяется свет. Следует отметить, что закон прямолинейного распространения света нарушается и понятие светового луча утрачивает смысл, если свет проходит через малые отверстия, размеры которых сравнимы с длиной волны. Таким образом, геометрическая оптика, опирающаяся на представление о световых лучах, есть предельный случай волновой оптики при λ → 0. Границы применимости геометрической оптики будут рассмотрены в разделе о дифракции света.

На границе раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новому направлению, а часть пройдет через границу и продолжит распространяться во второй среде.

Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.

Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред:

Закон преломления был экспериментально установлен голландским ученым В. Снеллиусом в 1621 г.

Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

n = n2 / n1.

Законы отражения и преломления находят объяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ₁ к скорости их распространения во второй среде υ₂:

Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде:

Рис 3.1.1 иллюстрирует законы отражения и преломления света.

Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной.

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотнуюn₂ < n₁ (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол α_пр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения (см. рис. 3.1.2).

Для угла падения α = α_пр  sin β = 1; значение sin α_пр = n₂ / n₁ < 1.

Если второй средой является воздух (n₂ ≈ 1), то формулу удобно переписать в виде

sin αпр = 1 / n,

где n = n₁ > 1 – абсолютный показатель преломления первой среды.

Для границы раздела стекло–воздух (n = 1,5) критический угол равен α_пр = 42°, для границы вода–воздух (n = 1,33) α_пр = 48,7°.

Явление полного внутреннего отражения находит применение во многих оптических устройствах. Наиболее интересным и практически важным применением является создание волоконных световодов, которые представляют собой тонкие (от нескольких микрометров до миллиметров) произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло, кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей (рис 3.1.3). Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется волоконной оптикой.

Поляриметрия - жарықтың поляризациялану дәрежесін және ортаның оптикалық активтілігін өлшеуге негізделген зерттеулер тәсілдері.^[1]

Поляриметрия әдісі поляризацияланған жарықты зерттеуге негізделген. Поляризация жазықтығының айналу бұрышын өлшейді, ол анықталатын заттың концентрациясына тура пропорционал мән:

β = (α*l*T) / 10

мұндағы β - поляризация жазыктығының айналу бұрышы; α - поляризация жазықтығының меншікгі айналымы, ол зат табиғатын білдіреді; l - кювета ұзындығы (түтікше), см; Т - анықталатын заты бар ерітіндінің титрі, г/см³.

Өлшенетін бұрыш аналитикалық сигнал болады. Табиғи жарық сәулесінің толқыны барлық жазықтықта болады, және оның бағыты перпендикуляр. Анализ жасаған кезде толқыны тек бір жазықтыкта поляризацияланған сәуле қажет. Ол үшін арнаулы кристалдары бар, жарық сәулесі өткен кезде поляризацияланатын қондырғыларды (поляризаторлар) орналастырады. Осындай сәулені оптикалық активті заты бар ерітіндіден өткізсек, онда өткен жарықтың жазықтық бұрышы белгілі бір бағытқа айналады - оны поляризация жазықтығының айналу бұрышы деп атайды.

Қондырғыларда анализатор болады, ол поляризациялау жазықтьнының бұрылу бұрышын анықтайды.

Поляриметрияны зерттеудің схемасын былай жасауға болады:

Поляриметрия әдісінің негізгі мәселесі - анализге алынған заттың оптикалық активтігі.

Анализге берілген заттың концентрациясын анықтау үшін градуирленген қисық, молярлы қасиет әдісін қолданады

Энергетический уровень — собственные значения энергии квантовых систем, то есть систем, состоящих из микрочастиц (электронов, протонов и других элементарных частиц) и подчиняющихся законам квантовой механики. Каждый уровень характеризуется определённым состоянием системы, или подмножеством таковых в случаевырождения. Понятие применимо к атомам (электронные уровни), молекулам (различные уровни, соответствующие колебаниям и вращениям), атомным ядрам(внутриядерные энергетические уровни) и т. д.

Молекулярные энергетические уровни

Энергетический уровень - совокупность орбиталей, которые имеют одинаковые значения главного квантового числа. Число энергетических уровней атома равно номеру периода, в котором он расположен. Например, калий - элемент четвертого периода, следовательно имеет 4 энергетических уровня (n = 4).

Атом водорода — физическая система, состоящая из атомного ядра, несущего элементарный положительный электрический заряд, и электрона, несущего элементарный отрицательный электрический заряд. В состав атомного ядра может входить протон или протон с одним или несколькими нейтронами, образуя изотопыводорода. Электрон преимущественно находится в тонком концентрическом шаровом слое вокруг атомного ядра, образуя электронную оболочку атома. Наиболее вероятный радиус электронной оболочки атома водорода в стабильном состоянии равен боровскому радиусу a₀ = 0,529 Å.

Атом водорода имеет специальное значение в квантовой механике и релятивистской квантовой механике, поскольку для него проблема двух тел имеет точное или приближенное аналитическое решения. Эти решения применимы для разных изотопов водорода, с соответствующей коррекцией.

В квантовой механике атом водорода описывается двухчастичной матрицей плотности или двухчастичной волновой функцией. Также упрощенно рассматривается как электрон в электростатическом поле бесконечно тяжёлого атомного ядра, не участвующего в движении (или просто в кулоновском электростатическом потенциале вида 1/r). В этом случае атом водорода описывается редуцированной одночастичной матрицей плотности или волновой функцией.

Бордың бірінші постулаты бойынша атомда электрондардың белгілі бір стационар орбиталары бар. Бор стационар орбиталар үшін мына шарт орындалуы тиіс деп тұжырымдады:

m_erv=nħ

мұндағы n =1,2,3, ... . Бұл шарт бойынша стационар орбиталардағы электронның импульс моменті ħ Планк тұрақтысынан бүтін еселікке үлкен дискретті мәндерге ғана ие бола алады. Сонымен бірге Бор атом ядросының өрісінде қозғалып жүрген электронға Ньютонның екінші заңы мен Кулон заңын қолдануға болады деп есептеді. (Ал оның ұсынған өрнегі классикалық физикаға қарама-қайшы екенін ескерте кетейік.)

Заряды Ze атом ядросының өрісінде бір электрон қозғалып жүрген жүйені қарастырайық. Егер Z = 1 болса, бұл сутегі атомы, ал егер Z > 1 болса, бұл сутегі тектес атом, яғни ион. Ядро тарапынан электронға kZe²/r² Кулон күші әрекет етеді, бұл күш Ньютонның екінші заңы бойынша электронның массасы мен үдеуінің көбейтіндісіне тең. Электрон дөңгелек орбитамен қозғалады, сондықтан оның центрге тартқыш үдеуі v²/r. Олай болса,

m_ev²/r=kZe²/r²

өрнегінен ν жылдамдықты тауып, өрнегіне қойсақ:

n²ħ²/m_er=kZe²,

бұдан электронның стационар орбитасының радиусы:

r_n=(ħ²/km_e)n²

Егер өрнегінде n = 1, Z = 1 болса, сутегі атомындағы электронның бірінші стационар орбитасының радиусын анықтаймыз. Оны r₀ әрпімен белгілеп, Бор радиусы деп атайды:

r₀=ħ²/km_ee²=0,529*10^-10м

Бұл мән молекулалы-кинетикалық теория бойынша есептелген сутегі атомы радиусының мәнімен сәйкес келеді.

Стационар орбитадағы электронның толық энергиясы оның кинетикалық энергиясы және ядромен әрекеттесу кезіндегі потенциалдық энергиясының қосындысынан тұрады:

E=m_ev²/2+kZe²/r.

Соңғы теңдеуді өрнегін пайдалана отырып, мынадай түрге келтіруге болады: Е_n=-kZe²/2r. Бұл өрнектегі радиустың орнына өрнегін қойсақ, атомның ішкі энергиясының мүмкін мәндерін алуға болады:

Е_n=(k²m_ee⁴/2ħ²)(Z²/n²)

Мұндағы k=1/4 ε₀ SI жүйесінде берілген. n = 1, 2, 3, ... бүтін сандары негізгі кванттық сандар деп aталады.

Сонымен, атомның энергиясы тек өрнегімен анықталатын дискретті мәндерді ғана қабылдай алады.

Сутегі атомы үшін Z = 1, ал оның энергиясының мәндері былай анықталады:

E_n=-(k²m_ee⁴/2ħ²)(1/n²).

Сызықтың шығару және жұтылу спектрлері Бор теориясында атомдардың энергиясы өрнегімен анықталатын дискретті мәндерге ғана ие бола алатынымен түсіндіріледі. Бір химиялық элементтің барлық атомдарының энергетикалық деңгейлері бірдей. Электрон бір деңгейден екінші деңгейге ауысқанда фотон сәуле шығарады. Басқа элемент атомдарының энергетикалық деңгейлерінің құрылымы басқа, сондықтан шығару және жұтылу спектрлері өзгеше болады.

Бордың екінші постулатынан сәуле шығару жиілігін анықтайық:

hν=E_n-E_m, ν=E_n/2 ħ-E_m/2 ħ.

Соңғыөрнекте ħ=n/2  екенінескердік. Энергияныңмәнінеөрнегінқойсақ,

ν=k²m_ee⁴/4 ħ³(1/m²-1/n²)

аламыз. Егер

R=k²m_ee⁴/4 ħ³

деп белгілесек, өрнегі Бальмердің формуласымен сәйкес келеді. Өрнегіне кіретін шамалардың бәрі белгілі тұрақтылар, олардың мәндерін орнына қойып, R Ридберг тұрақтысын есептеп шығаруға болады. Осындай есептеулердің нәтижесі тәжірибеден алынған мәнмен бірдей болып шыққан. Жиіліктердің формуласымен есептелген мәндері де эксперименттің нәтижесімен дәл келеді.

Бор теориясы атом құрылымының теориясын жасаудағы алғашқы қадам болып табылады. Ол классикалық физика заңдылықтарын микроәлем физикасыныңқұбылыстарына қолдануға жарамайтының айқын көрсетіп берді. Бірақ алғашқы жетістіктерден соң Бор теориясы көптеген қиындықтарға кездесті. Мысалы, ол сутегінен кейінгі ең қарапайым гелий атомының теориясын жасауда толық сәтсіздікке ұшырады. Сәтсіздіктердің басты себебі теорияның ішкі логикалық қарама-қайшылығында еді, ол жартылай классикалық, жартылай кванттық көзқарастарға сүйенді. Қазіргі кезде Бор теориясы, негізінен, тарихи қызығушылық тудырады. Бірақ бұл теория қазір де бірқатар маңызды физикалық ұғымдарды (мысалы, энергетикалық деңгейлер ұғымын) енгізуге қолданылатын ыңғайлы механикалық модель болып табылатынын есте ұстаған жөн. Сонымен, Бор теориясы кванттық механиканы құрудағы өтпелі кезең болып табылады.

Паули принцип, тыйым салу принципі — табиғаттың іргелі заңдарының бірі. 1925 жылы швейцариялық физик В.Паули (1900 — 58) тұжырымдаған. Паули принцип бойынша кванттық жүйеде спині жартылай бүтін екі не одан да көп бірдей бөлшектер бір мезгілде бір күйде бола алмайды. Паули принцип химиялық элементтердің периодтық жүйесін, атом ядроларының, молекулалардың, кристалдардың қасиеттерін түсіндіруде маңызды рөл атқарады.